Восстановление данных на 100%

Ташков Петр

• Восстановление данных, потерянных из-за физических неисправностей

• Восстановление данных, потерянных из-за логических неисправностей

• Восстановление информации с SIM-карт

• Резюме

В этой главе речь пойдет о различных устройствах хранения, основанных на flash-памяти (Flash Memory). Иначе их еще называют твердотельными, или полупроводниковыми накопителями, подчеркивая, что внутри такого накопителя отсутствуют подвижные детали, а информация хранится в полупроводниковом кристалле.

Самый типичный представитель полупроводниковых носителей

информации – flash-диск. Сегодня эти носители информации полностью вытеснили дискеты и начинают постепенно теснить лазерные диски благодаря своим габаритам. Flash-память всерьез рассматривается и как альтернатива жестким дискам ноутбуков – первые образцы уже поступили в широкую продажу. Карты памяти разных типов – обязательный атрибут любой карманной техники: фотоаппаратов, видеокамер, плееров, мобильных телефонов. Особняком стоят SIM-карты мобильных телефонов. Несмотря на микроскопические размеры, это очень сложное устройство – целый микрокомпьютер, и лишь часть его памяти выделена для хранения пользовательских данных.

Восстановление данных с полупроводниковых носителей не столь актуально, как с винчестеров: они редко становятся основным и единственным местом хранения важной информации. Как правило, на flash-диски данные откуда-то переписываются и в исходном расположении обычно остается оригинал. Уникальными могут оказаться данные на картах памяти фотоаппаратов – действительно первая и единственная копия.

Принцип работы и устройство flash-памяти

В основе любой flash-памяти лежит кристалл кремния, на котором сформированы не совсем обычные полевые транзисторы. У такого транзистора есть два изолированных затвора: управляющий (control) и плавающий (floating). Последний способен удерживать электроны, то есть заряд. В ячейке, как и у любого полевого транзистора, есть сток и исток (рис. 4.1). В процессе записи на управляющий затвор подается положительное напряжение, и часть электронов, движущихся от стока к истоку, отклоняется к плавающему затвору. Некоторые из электронов преодолевают слой изолятора и проникают (диффундируют) в плавающий затвор. В нем они могут оставаться в течение многих лет.

Рис. 4.1. Ячейка flash-памяти

Концентрация электронов в области плавающего затвора определяет одно из двух устойчивых состояний транзистора – ячейки памяти. В первом, исходном, состоянии количество электронов на плавающем затворе мало, а пороговое напряжение открытия транзистора относительно невысоко (логическая единица). Когда на плавающий затвор занесено достаточное количество электронов, транзистор оказывается во втором устойчивом состоянии. Напряжение открытия его резко увеличивается, что соответствует логическому нулю. При считывании измеряется пороговое напряжение, которое нужно подать на сток для открытия транзистора. Для удаления информации на управляющий затвор кратковременно подается отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора диффундируют обратно на исток. Транзистор вновь переходит в состояние логической единицы и остается в нем, пока не будет произведена очередная запись. Примечательно, что во flash-памяти один транзистор хранит один бит информации – он и является ячейкой. Весь процесс «запоминания» основан на диффузии электронов в полупроводнике. Отсюда следуют два не очень оптимистичных вывода.

• Время хранения заряда очень велико и измеряется годами, но все же ограничено: законы термодинамики и обратной диффузии.

• По той же причине ограничено число циклов записи-перезаписи: от ста тысяч до нескольких миллионов. Со временем

неизбежно происходит деградация самого материала и р-п-переходов. Например, карты Kingston Compact Flash рассчитаны на 300 000 циклов перезаписи, Transcend Compact Flash – на 1 000 000, а flash-диск Transcend 1Gb USB – всего на 100 000.

Существуют две архитектуры flash-памяти. Они отличаются способом обращения к ячейкам и, соответственно, организацией внутренних проводников.

• Память NOR (ИЛИ-НЕ) позволяет обращаться к ячейкам по одной. К каждой ячейке подходит отдельный проводник. Адресное пространство NOR-памяти позволяет работать с отдельными байтами или словами (2 байта). Такая архитектура накладывает серьезные ограничения на максимальный объем памяти на единице площади кристалла. Память NOR сегодня используется лишь в микросхемах BIOS и других ПЗУ малой емкости, например в сотовых телефонах.

• В памяти архитектуры NAND (И-НЕ) каждая ячейка оказывается на пересечении «линии бит» и «линии слов». Ячейки группируются в небольшие блоки по аналогии с кластером жесткого диска. И считывание, и запись осуществляются лишь целыми блоками или строками. Все современные съемные носители построены на памяти NAND.

Крупнейшими производителями NAND– чипов являются компании Intel, Micron Technology, Sony и Samsung. Ассортимент выпускаемых чипов довольно велик, а обновление его происходит несколько раз в год.

Контроллеры

Для управления чтением и записью служит контроллер памяти. В настоящее время контроллер всегда выполняется в виде отдельного элемента (это либо микросхема одного из стандартных форм-факторов, либо бескорпусный чип, встраиваемый в карту памяти), хотя ведутся работы по интеграции контроллера непосредственно в кристалл flash-памяти.

Контроллеры разрабатываются и выпускаются под совершенно определенные микросхемы flash-памяти. Способ адресации ячеек конструктивно заложен в контроллере. Данные при записи в микросхему flash-памяти располагаются определенным способом, меняющимся от модели к модели. Производители эти тонкости не раскрывают и, по всей видимости, раскрывать не планируют. Очевидно, микропрограмм контроллеров создается значительно больше, чем самих моделей контроллеров. Микропрограмма контроллера (прошивка) и таблица трансляции адресов (транслятор) записываются в служебную область flash-памяти. Именно эту область контроллер начинает считывать сразу после подачи на него питания. Кроме собственно адресации ячеек, контроллер выполняет ряд других функций: функции контроля bad-секторов, коррекции ошибок (ECC – error check and correct) и равномерности износа ячеек (wear leveling).

Технологической нормой при изготовлении микросхем памяти считается наличие в них в среднем до 2 % нерабочих ячеек. Со временем их количество может еще увеличиваться, поэтому, как и в винчестерах, во flash-памяти предусмотрен резервный объем. Если появляется дефектный сектор, контроллер в процессе форматирования или записи подменяет его адрес в таблице размещения файлов адресом сектора из резервной области. Коррекция осуществляется контроллером, но реализуется на уровне файловой системы конкретного носителя.

Из-за ограниченного ресурса ячеек (порядка нескольких миллионов циклов чтения/записи для каждой) в контроллер заложена функция учета равномерности износа. Чтобы запись информации осуществлялась равномерно, свободное пространство условно разбивается на участки, и для каждого из них учитывается количество операций записи. Статистика циклов заносится в скрытую служебную область памяти, и за этими сведениями контроллер периодически обращается к ней. На адресацию это не влияет.